Ein jüngst in der Fachzeitschrift EOS erschienener Artikel über Gashydrate vor der Küste von Vancouver Island zeigt, dass noch wesentlich mehr Fragen zur Bildung dieser eisähnlichen Verbindung von Wasser und Methangas beantwortet werden müssen, als gedacht. Eine Expedition im Rahmen des Integrierten Ozeanbohrprogramms (IODP), an der auch Dr. Verena Heuer vom DFG-Forschungszentrum Ozeanränder in Bremen teilnahm, zeigte, dass Gashydrate wesentlich dichter unter dem Meeresboden vorkommen und wesentlich ungleichmäßiger verteilt sind, als die gängige Theorie zu ihrer Entstehung vorhersagt.
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„Methan und Wasser bilden bei hohem Druck und niedrigen Temperaturen eine feste eisähnliche Substanz, Gashydrat – im Labor, in Gasleitungen, Permafrostböden, und eben auch im Meeresboden“, erklärt Verena Heuer. „Es kann natürlich nur dort entstehen, wo ausreichend Methan vorhanden ist.“ Vor Vancouver Island, genauer gesagt an dem vor der Westküste Kanadas gelegenen Northern Cascadia Margin, schiebt sich die ozeanische Krustenplatte unter den nordamerikanischen Kontinent. Dabei werden die Ablagerungen, die sich in den Jahrmillionen seit der Bildung der Platte auf ihr angesammelt haben, zusammengepresst.
Gashydrat-Stabilitätszone
Fluide und Gase, die sich im Sediment befinden, werden herausgequetscht und steigen durch den Meeresboden nach oben auf. Auf dem Weg nach oben lässt zwar der Druck nach, aber auch die Temperatur sinkt mit der Entfernung vom Erdkern. So gelangen die Gase in die so genannte Gashydrat-Stabilitätszone, in der gleichzeitig die Drücke so hoch und die Temperaturen so niedrig sind, dass aus freiem Methangas feste Gashydrate werden. Die Gashydrat-Stabilitätszone verläuft mehr oder weniger parallel zum Meeresboden. Unterhalb dieser Zone liegt Methan, wenn es in größeren Mengen vorkommt, als im Porenwasser gelöst werden können, als freies Gas vor, darüber bis zur Obergrenze theoretisch nur als Gashydrat.
„Mit geophysikalischen Untersuchungen kann man diese Grenze leicht auffinden, da künstlich erzeugte seismische Wellen an der Grenzfläche zwischen Gashydrat und freiem Gas reflektiert werden. Das Auftreten eines so genannten „bodensimulierenden Reflektors“ wird daher als ein wichtiger Hinweis auf Gashydratvorkommen gewertet. Da das Methan vermutlich von unten aufsteigt, haben wir bis jetzt angenommen, dass der Löwenanteil des Gases direkt über dieser Grenzschicht in Form einer dicken Lage von Gashydrat festgelegt wird. In unserem Untersuchungsgebiet wäre das circa 130 bis 230 Meter tief im Meeresboden,“ berichtet Verena Heuer. Ausnahmen sind Stellen, an denen so genannte kalte Quellen sprudeln, die große Mengen Methan bis an die Oberfläche des Meeresbodens transportieren.
Grobkörnige Sandlagen entscheidend?
„Unsere neuen Untersuchungen zeigen jetzt jedoch, dass diese Modellvorstellung zu einfach war. Anders als erwartet, haben wir die höchsten Gashydratkonzentrationen weit oberhalb des bodensimulierenden Reflektors gefunden – und zwar interessanterweise meist in grobkörnigen Sandlagen. Die Eigenschaften des Sedimentes scheinen bei der Ausbildung von Gashydratlagen von größerer Bedeutung zu sein als wir bisher angenommen haben.“.
Herausgefunden haben die Wissenschaftler dies auch, weil sie eine besondere Strategie zur Untersuchung des Meeresbodens angewendet haben. Die Beprobung von Gashydraten erfordert eine spezielle Bohrtechnik, da es sehr schwierig ist, das Gashydrat erstens, in festem Zustand und zweitens ohne Verluste an Deck zu bekommen. Denn in dem Moment, in dem es die Stabilitätszone verlässt, zerfällt es ja in Wasser und freies Methangas. „Die Plastikrohre, in denen die Bohrkerne üblicherweise an Deck kommen, dehnen sich durch das zerfallende Gashydrat aus und zerplatzen manchmal sogar. Das Sediment in den Rohren hat dann die Konsistenz von Mousse au Chocolat – nur riecht es nicht so gut“, erzählt Verena Heuer.
Druck erhaltende Bohrsysteme nötig
Um intakte Gashydrate zu bergen, werden spezielle Bohrsysteme verwendet, in denen die hohen Drücke aufrechterhalten bleiben, die auch in der Tiefe vorhanden sind. Diese Bohrsysteme erlauben, die noch intakten Gashydrate entweder an Bord mit geophysikalischen Methoden zu untersuchen, sie für weiterführende Experimente an Land zu bringen, oder sie durch kontrollierte Druckentlastung zerfallen zu lassen und dabei die genaue Menge und Zusammensetzung des entweichenden Gases zu analysieren. Da der Einsatz von Druck erhaltenden Bohrsystemen technisch sehr aufwendig ist, können damit in einem Bohrloch nur einzelne, ausgewählte Sedimentlagen beprobt werden.
Um den Einsatz gezielt steuern zu können, wurde daher für die Vorerkundung des untersuchten Kontinentalhangs zunächst eine Serie von sechs bis zu 350 m tiefen Bohrlöchern gebohrt und vermessen. Die speziellen Druck erhaltenden Bohrsysteme sind im Rahmen des IODP zuvor erst dreimal erfolgreich angewendet worden und noch nie in diesem Umfang. Neu war auch, dass diesmal durch die Anordnung der Bohrungen entlang einer senkrecht zum Kontinentalhang verlaufenden Linie die vollständige Ausdehnung eines Gashydratvorkommens querschnittartig untersucht wurde.
„Insgesamt“, so Verena Heuer „erlauben unsere Ergebnisse eine wesentlich genauere Abschätzung des Gashydratvorkommens in einem Kontinentalhang, als dies jemals zuvor der Fall war. Natürlich ist es immer noch eine Schätzung, aber wir haben noch nie so viele Daten und Proben zur Verfügung gehabt, um die Entwicklung von Gashydraten in Kontinentalhängen zu verstehen.“
(Kirsten Achenbach, DFG-Forschungszentrum Ozeanränder, 14.09.2006 – AHE)
